風(fēng)力發(fā)電液壓動力單元探究

王孝偉 趙子晨 范昌勇

摘要：在新能源領(lǐng)域中，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是其中最成熟的，也是最具前景的發(fā)電方式之一，應(yīng)用前景廣闊。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，液壓技術(shù)由于體積小、響應(yīng)快，精度高的特點被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹在風(fēng)力發(fā)電機組中偏航剎車和高速軸剎車以及鎖定裝置的應(yīng)用，并通過理論分析、原理講解和實驗數(shù)據(jù)進行詳細的說明。通過實驗數(shù)據(jù)表明，液壓系統(tǒng)可以顯著提高發(fā)電機組的穩(wěn)定性和效率，減小風(fēng)速對發(fā)電機組的沖擊。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;液壓制動;制動保壓

一、引言

自新世紀(jì)以來，能源緊缺一直是全世界面臨的重大難題。一方面石油化工燃料會產(chǎn)生大量的二氧化硫、二氧化碳等有害氣體污染大氣，災(zāi)害天氣日益增多;另一方面石油化工燃料已經(jīng)瀕臨枯竭。對新能源的開發(fā)迫在眉睫。

二、液壓在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

風(fēng)能主要是貝茲理論的利用。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是把空氣動力學(xué)、機械以及控制等多方面的技術(shù)的集成。自新世紀(jì)石油危機以來，發(fā)達國家加快了對風(fēng)力發(fā)電的研究，風(fēng)電技術(shù)日益成熟，風(fēng)力發(fā)設(shè)備也越來越大。由于體積十分龐大，就要求在發(fā)電過程中系統(tǒng)擁有大功率輸出，精度控制可靠，占用空間小的特點。因此液壓系統(tǒng)在風(fēng)電中得到廣泛應(yīng)用。由于風(fēng)速的增加，發(fā)電機組的葉片轉(zhuǎn)速也會增大，這就需要可靠的制動系統(tǒng)，以免發(fā)生火災(zāi)或功率過大燒毀機組。

三、風(fēng)力發(fā)電偏航剎車系統(tǒng)

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組中必不可少的功能，其功能是根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)節(jié)偏航角度。

為風(fēng)力發(fā)電偏航剎車系統(tǒng)，節(jié)流閥6為常閉狀態(tài)，節(jié)流閥1為常開狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)向變化時，發(fā)電機組會自動偏航。此時兩位三通電磁閥10通電，二位二通電磁閥7斷電，風(fēng)電剎車卡盤在溢流閥8的作用下保持5bar的壓力，從而在偏航時機組運行平穩(wěn)。當(dāng)偏航纏繞時，需要自動解纜時則電磁閥7和10通電，當(dāng)需要人工解纜時，則將節(jié)流閥6打開，進行人工解纜，可以有效減少偏航剎車的磨損。

偏航剎車的工作狀態(tài)可以分為四種情況：

（1）偏航停止：節(jié)流閥1→單向閥2→節(jié)流閥3→兩位三通換向閥10（斷電）→過濾器12→液壓缸13（剎車抱死狀態(tài)）。

（2）偏航時：液壓缸13→過濾器12→兩位三通電磁閥10（通電）→溢流閥7→單向閥9。

（3）自動解纜時：液壓缸13→過濾器11→二位二通電磁閥7（通電）→單向閥9。

（4）人工解纜時：液壓缸13→過濾器12→節(jié)流閥6（打開）→單向閥9。

四、高速軸剎車

為了防止風(fēng)速過快，燒壞發(fā)電機組，因此需要高速軸剎車系統(tǒng)。幾乎所有風(fēng)力發(fā)電都會講剎車卡鉗安裝在高速軸上，如果裝在低速軸上會增加力矩，不利于制動。剎車系統(tǒng)一般為一個卡鉗。

當(dāng)風(fēng)速過大需要卡鉗抱死時，電磁閥7的電磁鐵得電，則油通過單向閥1，節(jié)流閥3，減壓閥閥4，單向閥6，電磁閥7，進入液壓缸12實現(xiàn)動作功能。蓄能器10是為了保壓，當(dāng)壓力達到設(shè)定的壓力時，壓力開關(guān)9動作，通過電控系統(tǒng)控制系統(tǒng)的液壓泵關(guān)閉，蓄能器保壓。一般情況下，為了防止電機的頻繁啟動損壞部件，降低元器件的使用獸面，對系統(tǒng)造成傷害，因此要求保壓168小時以上，壓力下降不能超過最低值，因此就需要有良好的密封性。當(dāng)風(fēng)速過大，需要剎車時，液壓泵啟動，達到需要壓力時，蓄能器保持壓力，電磁閥通電完成剎車動作，不需要時，電磁閥7失電，蓄能器10以及油缸12的油回到油箱，解除剎車狀態(tài)。

五、轉(zhuǎn)子鎖定裝置

六、受力分析與強度校核

（一）安裝前重力分析

此時油箱屬于焊接件整體

1、2.手動換向閥3、4.液控單向閥5.溢流閥6、7.過濾器8.液壓缸

油箱底面面積

集成塊和電機泵組等的重力作用在油箱表面上。重力

接觸面的面積為

則遠小于碳鋼的屈服強度207MPa。

遠小于碳鋼的屈服強度207MPa。

（二）吊裝時的受力分析

吊裝時，吊裝板上的螺釘所受力為液壓站所受的重力以及重力形成的力矩，油箱主要承受液壓油的重力。因此可以簡化為一根垂直的懸臂梁力的計算與校核：吊裝時，吊裝板的上端可以當(dāng)成固定，F(xiàn)3為整個液壓站的重量，M為液壓站與螺釘連接處的力矩。

8.8級M10螺釘?shù)那姸葹椤?/p>

（三）安裝后的力分析

安裝后，安裝螺釘上承受液壓站的重力和重力形成的力矩，油箱主要承受液壓油的重力。受力分析可以簡化為一根水平懸臂梁力的計算與校核：固定后，螺釘端看做固定，F(xiàn)x為整個液壓站的重量。

七、產(chǎn)品保壓分析

風(fēng)力存在著各種不可控的因素，因此就需要存在一定時間的保壓來控制風(fēng)速過大時機組不被損壞。同時當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組損壞時，無法供電需要保壓來爭取維修人員的修理時間，因此保壓的分析就至關(guān)重要的。保壓時對液壓元件的泄露有較強的要求，因此至少保壓24小時以上才可以整個系統(tǒng)的安全和不被過大的風(fēng)速所損壞。同時由于風(fēng)力發(fā)電機組大多在高原地帶，保壓過程中要承受低溫對閥組的影響，對電機的干擾。

經(jīng)過實驗室分析得知在–40℃，保溫8小時的情況，通電操作液壓站用電建立壓力到160bar的時間為1分55秒。液壓降至140bar后再生到160bar，時間為15秒。且所有電磁閥均能正常開關(guān)，所有傳感器輸出信號完好，電機無異響。通過測試。在保壓測試下，液壓站保壓情況良好，可以通過測試。

八、電磁干擾測試

在風(fēng)力發(fā)電機組中，電磁干擾對電磁閥和傳感器的影響較大。在實際操作中，閥和傳感器的地線必須充分接地，若沒能充分接地可能會影響傳感器輸出電流大小，進而影響傳感器的精度，影響液壓站壽命。若電磁閥不能動作，輕則會影響系統(tǒng)保壓能力，重則那么會損壞風(fēng)力發(fā)電機組。

通過靜電防電抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、浪涌抗擾度試驗、射頻場感應(yīng)的傳到騷擾抗擾度、工頻磁場抗擾度試驗。來分析液壓站抗電磁干擾能力的大小。

通過一系列試驗之后，電磁閥及各類傳感器均能通過試驗，且性能良好，無任何損壞。

九、震動及沖擊試驗

通過模擬風(fēng)機震動情況，來試驗液壓站的工作可靠性。通過三個軸向的震動，抖動頻率接近于風(fēng)機內(nèi)部的頻率，來測試各個元件的穩(wěn)定性。試驗完成后觀察液壓站建立壓力的時間，電磁閥的動作和傳感器的信號，以及外觀是否有損壞。

在震動耐久試驗中，經(jīng)過8分鐘的振動測試，在振動過程中進行性能測試。共進行3次試驗，通過驗證系統(tǒng)建立壓力的時間來驗證系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性，螺釘?shù)木o固性，是否有脫落情況。其中定頻耐久試驗的頻率范圍750Hz±50Hz，幅值10m/s2。耐久時間為30分鐘。

沖擊試驗是模擬產(chǎn)品的安全性及可靠性的實驗方法。規(guī)定脈沖，采用正弦波進行試驗。通過模擬外部的沖擊，來判定系統(tǒng)的抗沖擊能力。在沖擊的同時運行系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定。

十、鹽霧試驗

鹽霧試驗是通過人工來模擬腐蝕環(huán)境的條件，從而達到檢測金屬的耐腐蝕性。通過480小時的鹽霧腐蝕，模擬腐蝕情況。最終實驗室數(shù)據(jù)表明，閥塊通過表面處理在長時間高強度的工作下表面腐蝕情況良好，可以長時間穩(wěn)定工作。

十一、實驗數(shù)據(jù)分析

由于風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用主要在高原地帶，需要適應(yīng)當(dāng)?shù)貥O寒以及低氣壓的氣候，因此產(chǎn)品的可靠性成為能否大規(guī)模應(yīng)用的必要條件。同時加入其它常規(guī)測試，以驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)具有良好的耐寒性、抗震能力、抗輻射干擾能力等，可以大規(guī)模使用。

十二、結(jié)論

本文詳細介紹了風(fēng)力發(fā)電機組的偏航剎車模塊，高速軸剎車以及鎖緊模塊在風(fēng)電中的應(yīng)用。并通過實際液壓原理圖、理論分析、實驗數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)的可行性。縱觀全文我們可以看到，液壓系統(tǒng)體積小，輸出功率大的特點在風(fēng)力發(fā)電機組中發(fā)揮著重要作用。此產(chǎn)品有利于提升我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)技術(shù)水平，積累更多的國際市場競爭優(yōu)勢，促進行業(yè)的綜合市場競爭力，帶動行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，項目的研發(fā)，有利于增加就業(yè)機會，促進地區(qū)就業(yè)平衡，改善地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與優(yōu)化，提高地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平。

參考文獻

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風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備液壓及密封應(yīng)用.